Calculation based on capacity of the crank hot-stamping presses for technological processes of thermomechanical treatment

Abstract

This article describes the calculation of the force stamping elongated forging at different temperatures in the open die by the M.V.Storozhev’s formula and compares the effort with stamping identical forgings as a result of the finite-element modeling. Options regarding corrections formulas are offered.

Full Text

Повысить эффективность технологических процессов термомеханической обработки возможно за счет рационализации температурных, временных, силовых схем деформационно-термического воздействия на металл. При этом не менее значимой представляется задача оптимизация агрегатной схемы технологического процесса. Нам было важно определить, насколько точно по формулам А.В.Ребельского [1], Л.В.Прозорова [2], М.В.Сторожева [3, 4], по которым подбирается КГШП, молоты, ГКМ, определяется усилие штамповки P, необходимое для проведения процесса формоизменения стальной заготовки. Область наших интересов – теплая и горячая облойная штамповка, поэтому мы рассчитали необходимое усилие штамповки поковки тип ««тяга соединительная» по формуле 1 (формула М.В.Сторожева) [5] для ручья штампа, представленного на рисунке 1. Результаты расчетов представлены в таблице 1. , (1) где σs - напряжение текучести металла, соответствующее температуре и скорости деформации при штамповке, приблизительно равное временному сопротивлению на растяжение при той же температуре, кГ/мм2; b – ширина мостика канавки для заусенца, мм; hз - толщина заусенца в мостике, мм; Fп - площадь проекции поковки на плоскости разъема, мм2; F3- площадь мостика канавки для заусенца, мм2; d – диаметр или сторона квадрата поковки в плане, мм; а – средняя ширина поковки, мм. Рисунок 1. Геометрическая модель нижней плиты штампа Размер заготовки был определен расчетным путем: длина 180 мм, диаметр 50 мм. Минимальный диаметр ручья штампа составил 30 мм, максимальный размер 175 мм. Расчеты по формуле М.В. Сторожева показали, что усилие штамповки P определяется по формуле однофакторно как пропорциональное напряжению текучести металла σs. а) б) Рисунок 2. Геометрическая модель поковки: а) – распределение температурного поля; б) – контактное давление в ручье штампа Для сопоставления результатов нами была проведена симуляция упруго-пластичного деформирования металлической заготовки при осуществлении процесса облойной штамповки поковки (чистовой ручей на рисунке 1) на КГШП в программном комплексе simufact (msc.superforge) для стали 45 и 40Х в диапазоне температур Тд=800÷1200ºС. По данным пользователей программы погрешность в расчетах не превышает 5-10%. В результате были получены модели поковки (рисунок 2,а-б), а также рассчитанные программой величины усилия штамповки P в зависимости от температуры деформации (таблица 1). Анализ данных моделирования позволяет заключить, что динамика изменения усилия штамповки не соответствует динамике изменения напряжения текучести металла, то есть P не пропорционально σs. Таблица 1 Усилия штамповки, рассчитанные по формуле и моделированием Сталь 45 № Температура деформации Tд, °C σs, кгс/мм2 Δσs, % Усилие P по формуле 1, кH ΔP по формуле 1, % Усилие P при моделировании, кH ΔP при моделировании, % 1. 900 8.3 - 7 197.70 - 11 300 - 2. 1000 5.1 Δσs1-2 = 63% 4 422.68 ΔP1-2 = 63% 11 000 ΔP1-2 = 3% 3. 1100 3.1 Δσs2-3 = 65% 2 688.30 ΔP2-3 = 65% 9 300 ΔP2-3 = 18% 4. 1200 2.1 Δσs3-4 = 48% 1 821.11 ΔP3-4 = 48% 9 500 ΔP3-4 = 2% Сталь 40Х 1. 800 10 - 9 748.09 - 11 100 - 2. 900 7.04 Δσs1-2 = 42% 6 862.66 ΔP1-2 = 42% 10 200 ΔP1-2 = 9% 3. 1000 4.38 Δσs2-3 = 61% 4 269.66 ΔP2-3 = 61% 8 500 ΔP2-3 = 20% 4. 1100 2.65 Δσs3-4 = 65% 2 583.24 ΔP3-4 =65% 8 400 ΔP3-4 =1% 5. 1200 2.44 Δσs4-5 = 9% 2 378.53 ΔP4-5 =9% 8 700 ΔP4-5 =9% По результатам анализа таблицы 1 установлено, что в интервале температур деформирования TдÎ[800÷1200]°С расчетные усилия штамповки ниже реальных (моделирование) усилий в 2-4 раза. По-видимому, в расчетных формулах не учитывается многофакторность процесса пластической деформации и неоднородность формирования очага деформации, а поэтому требуется их корректировка за счет введения корректирующих коэффициентов. Нами были рассмотрены варианты корректировки формулы за счет введения корректирующих скоростных и масштабных коэффициентов. Показано, что применение скоростных коэффициентов равных скоростным коэффициентам С.И.Губкина [6] не достаточно для получения расчетных значений Р,близких к реальным в пределах приемлемой погрешности 10%. Поэтому нами был введен в расчетные формулы коэффициент k- (таблица 2), вычисленный эмпирическим путем, применение которого к формуле М.В. Сторожева обеспечивает расчет усилия штамповки с средней погрешностью 8% (рисунок 3). Таблица 2 Значения коэффициента к- Отношение температур деформации Тд/ Тпл= 0.5÷0.6 Тд/ Тпл= 0.6÷0.7 Тд/ Тпл = 0.7÷0.8 1.0 ÷ 1.5 1.5 ÷ 2.5 3.0 ÷ 4.0 В случае применения предлагаемого коэффициента к- формула М.В. Сторожева примет следующий вид: . (2) Для наглядного сравнения эффективности использования коэффициента к- на рисунке 3,4 показаны кривые зависимостей величины усилия деформирования от температуры штамповки рассчитанные по формуле М.В. Сторожена с использованием коэффициента к- и без него. Рисунок 3. Изменение усилия штамповки в зависимости от температуры штамповки поковки из стали 45 без применения коэффициента к- Рисунок 4. Изменение усилия штамповки в зависимости от температуры штамповки поковки из стали 45 при применении коэффициента к- Выводы По результатам компьютерного моделирования установлено, что расчет усилия штамповки по формуле М.В. Сторожева в целях подбора КГШП по мощности при проектировании технологических процессов кузнечно – штамповочного производства не обеспечивает достоверного результата. Расчетные усилия P ниже реальных в 2-4 раза в интервале температур деформирования TдÎ[800÷1200]°С. Расчетные формулы не учитывают многофакторность процесса пластической деформации, определяемую неоднородностью формирования очага деформации, а поэтому требуют корректировки. Применение скоростных коэффициентов, равных скоростным коэффициентам С.И.Губкина, не достаточно для получения расчетных значений Р, близких к реальным в пределах погрешности 10%. Предложена корректировка формулы М.В.Сторожева за счет внедрения в нее коэффициента k-, который обеспечивает расчет необходимого усилия деформирования P с погрешностью в пределах 10%.